數(shù)字化磁性檢測技術(shù)的磁場測量技術(shù)

1、華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院1http:/( (無損檢測新技術(shù)課件）數(shù)字化磁性無損檢測新技術(shù)課件）數(shù)字化磁性檢測技術(shù)的磁場測量技術(shù)檢測技術(shù)的磁場測量技術(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2http:/1. 根據(jù)不同的檢測目的和檢測方法選擇最佳的敏感元件。一般而言，隨著磁場測量靈敏度的提高，元件和測量裝置的成本增高。為了獲得最優(yōu)的性能價格比，靈敏度的選擇應(yīng)根據(jù)被測磁場的強弱選用適當?shù)脑?，并滿足信號傳輸?shù)牟皇д婊蚋蓴_影響最小的要求。2. 磁場信號是一空間域信號，測量元件的敏感區(qū)域是局部的，一般由元件的尺寸和性能決定。為了能夠測量出空間域變化頻率較高的磁場信號，必須要求測量元件或

2、單元具有相應(yīng)的空間分辨能力。對應(yīng)于空間域中的磁場信號，這一分辨能力可在一維、二維或三維空間中來描述?？臻g分辨力是反映測量元件或單元敏感區(qū)大小的指標，具有方向性，沿不同的方向，空間分辨能力會不同。3. 在磁性檢測中，信噪比可定義為電信號中有用信號幅度(如裂紋檢測信號)與無用信號幅度(如測量中的電噪聲和被測磁場中的磁噪聲)之比。在這里，幅度為一廣義量值，它可以指信號幅度，也可以指測量信號中經(jīng)信號處理后的相關(guān)特征的量值。一般而言，測量過程中的上述信噪比必須大于1，否則被測對象(如裂紋)將無法識別。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3http:/4. 磁場在空間上是廣泛分布的，因而每一測量元件或

3、單元均只能在有限的范圍或區(qū)間上對磁信號敏感。隨著測量元件或方法的不同，在與掃描方面垂直的平面上有效敏感區(qū)間也將不同。將測量元件或單元有效檢測被測對象(如裂紋)，即在垂直于掃描方向上信噪比大于1時，被測對象相對于測量單元中心可以變動的最大空間范圍稱為測量單元的覆蓋范圍。在檢測中，如果要求一次測量較大的空間區(qū)域或防止檢測時的漏檢，則需要適當安置和選擇多組測量單元。很明顯，在某一方面上覆蓋范圍越大，在該方向上的空間分辨力將越差，因而，又必須根據(jù)測量的目的和要求，最優(yōu)設(shè)計和選擇測量單元。5. 測量單元應(yīng)具備對檢測環(huán)境和狀態(tài)的適應(yīng)性，測量信號特征應(yīng)不受環(huán)境條件影響。因此，應(yīng)對測量單元結(jié)構(gòu)進行考慮，減小檢

4、測過程中隨機因素的影響。6. 由于測量信號大小與測量點同被測磁場信號源間位置遠近關(guān)系密切，重復檢測時上述位置關(guān)系會有所改變，測量方法選擇不當時會增大幾次測量信號的差異。可以通過多次檢測保證信號的重復性。7. 當采用多測量單元進行測量時，一次檢測的信號量由多單元提供，同時檢測中的有用信息量也將由它們均分。對于單個單元而言，其測量的有效信息比為有用信息與總信息之比。因此，為了提高每個單元的有效信息比，對同一測量則應(yīng)減少測量單元，這就要在不降低信噪比的前提下，提高每個單元的覆蓋范圍或?qū)Χ鄦卧盘栠M行適當組合處理。8. 選擇檢測元件和測量方法時，根據(jù)測量目的和要求設(shè)計最優(yōu)性能價格比的檢測探頭。華中科技

5、大學機械學院華中科技大學機械學院4http:/磁場測量原理和元件磁場測量原理和元件磁場傳感器可測磁場的強度（特斯拉，T） 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1檢測線圈磁通門SQUID 磁強計Hall 效應(yīng)傳感器磁阻元件磁敏二極管磁敏三極管光纖磁強計磁光磁強計光泵磁強計華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院5http:/1. 感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈通過線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓大小與線圈匝數(shù)、穿過線圈的磁通量變化率或者線圈切割磁力線的速度呈線性關(guān)系。感應(yīng)線圈測量的是磁場的相對變化量，并對空間域上高頻率磁場信號更敏感。根據(jù)測量目的不同，感應(yīng)線圈可以做

6、成多種形式。線圈的匝數(shù)和相對運動速度決定了測量的靈敏度，線圈纏繞的幾何形狀和尺寸決定了測量的空間分辨力、覆蓋范圍、有效信息比等。 2. 磁通門磁通門磁通門傳感器原理是建立在法拉第電磁感應(yīng)定律和某些材料的磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關(guān)系上。典型的磁通門一般有三個繞組，即激勵繞組、輸出繞組和控制繞組，磁芯通常是跑道形的。這種磁通門的靈敏度很高，可以測量105107T弱磁場，輸出依賴于磁芯的磁特性，分辨力等隨磁芯和線圈尺寸變化。近年來，某些學者采用非晶態(tài)合金作為磁通門的磁芯，使得磁通門的靈敏度又有大幅度的提高。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院6http:/3. 霍爾元件霍爾元件霍爾元

7、件基于霍爾效應(yīng)原理工作，測量絕對磁場大小。元件的靈敏度、空間分辨力、覆蓋范圍等由其敏感區(qū)域的幾何尺寸、形狀以及晶體性質(zhì)決定。由于它制造工藝成熟、穩(wěn)定性、溫度特性等均較好，在磁場測量中得到廣泛應(yīng)用。隨著集成線路技術(shù)的發(fā)展，將霍爾感應(yīng)元件和線性集成電路相結(jié)合生產(chǎn)出的集成霍爾元件在靈敏度上得到很大提高，一般在7VT（特斯拉）左右，且具有了較好的封裝，因而可望得到更好的應(yīng)用。 4. 磁敏電阻磁敏電阻靈敏度是霍爾元件裸件的20倍左右，工作溫度在40150，靈敏度為0.1V/T，具有較寬的溫度使用范圍。空間分辨力等與元件感應(yīng)面積有關(guān)。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院7http:/5. 磁敏二極管、

8、磁敏三極管磁敏二極管、磁敏三極管磁敏二極管是繼磁敏電阻和霍爾元件之后發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換器件。與后二者相比，磁敏二極管具有體積小、靈敏度高等特點。在磁敏二極管加一正向電壓后，其內(nèi)阻的大小隨周圍磁場的大小和方向的變化而變化。通過磁敏二極管的電流越大，則在同樣磁場下輸出電壓越大；而所加的電壓一定時，在正向磁場的作用下，電流減小，反向磁場時電流加大。磁敏二極管工作電壓和靈敏度隨溫度升高而下降，通常需要補償。磁敏三極管是一類對磁場敏感的半導體三極管，與磁敏二極管一樣，為一種新型的磁敏傳感器件。磁敏三極管也分為NPN和PNP型兩大類。6. 磁共振法磁共振法原子核磁性的直接和精密的測量是利用核磁共振的方

9、法。核磁共振是原子核磁矩系統(tǒng)在相互垂直的恒定（直流）磁場B和角頻率為的交變磁場的同時作用下，滿足條件時，原子核系統(tǒng)對交變磁場產(chǎn)生的強烈吸收（共振吸收）現(xiàn)象，為原子核的旋磁比，即原子核的磁矩與角動量之比。由上式可以看出，當精密測量出核磁共振的頻率和磁場，并知道核的角動量或核自旋后，便可精密測定原子核磁矩。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院8http:/7. 磁光克爾效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)當線偏振光被磁化了的鐵磁體表面反射時，反射光將是橢圓偏振的，且以橢圓的長軸為標志的偏振面相對于入射線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度，旋轉(zhuǎn)角度的大小反映了鐵磁體表面及內(nèi)部的磁感應(yīng)強度大小。磁光效應(yīng)目前在磁光記錄和

10、光傳輸控制技術(shù)兩個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，將它用于磁性無損檢測具有更重要的意義：它可以遠距離測量鐵磁體表面或內(nèi)部的磁感應(yīng)強度，而其它原理或元件只能測量元件所在點或面上的磁感應(yīng)強度；由于直接測得的是鐵磁性構(gòu)件表面的磁場，因而無提離距離的影響，而在磁性檢測中，測量元件到被測場源間的距離直接影響測量電信號的幅度大小，對定量的檢測十分不利；在高分辨力、高精度、自動測量中，可以方便地通過控制光束大小或掃描運動，實現(xiàn)點、線或面磁場的精確測量；測量為非接觸式測量且不受構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀的影響。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院9http:/1. 單元件單點測量單元件單點測量單元件測量的是其敏感面內(nèi)的平均磁感應(yīng)

11、強度，當元件的敏感面積很小時，可以認為測得的是點磁場。單元件一般用在主磁通法、磁阻法和磁導法中。例如，在管棒類鐵磁性構(gòu)件表面裂紋的漏磁檢測中，通過繞制管狀感應(yīng)線圈并讓這類細長構(gòu)件從中穿過，則可探測到構(gòu)件整個外表面缺陷產(chǎn)生的漏磁場，而單個半導體元件將很難實現(xiàn)這類構(gòu)件整周上漏磁場的測量。單元件測量時后續(xù)的信號處理電路和設(shè)備相對較簡單，花費的成本較低，檢測時的有效信息比較大。2. 多元件陣列多點測量多元件陣列多點測量當需要提高測量的空間分辨力、覆蓋范圍和防止漏檢測時，可采用多元件陣列組合起來進行測量。在測量信號的處理上，當需要提高空間分辨力時，采用相互獨立的通道處理每個元件輸出，但增大了信息量輸出，

12、降低了有效信息比。為了得到靈敏度一致的輸出，對每個元件和對應(yīng)通道應(yīng)進行嚴格的標定；當只需要增大檢測時覆蓋范圍時，可以將多元件測量信號疊加，以單通道或小于元件數(shù)目的通道輸出，通過電路上的組合，可選擇到最佳分辨力、覆蓋范圍、靈敏度的檢測探頭結(jié)構(gòu)。多元件測量時，要精心選擇靈敏度、溫度特性較一致的元件。均勻布置元件的數(shù)量應(yīng)使多元件覆蓋范圍總和大于被測區(qū)域。很明顯，多元件陳列測量相對復雜得多。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院10http:/3. 對管測量技術(shù)對管測量技術(shù)在直流磁場測量中，半導體敏感元件的溫漂將會影響測量的精度、穩(wěn)定性。為減小溫漂的影響，除了在信號處理上采用低溫漂放大電路之外，在測

13、量中可采用對管技術(shù)，將特性相近的兩元件的感應(yīng)面盡可能靠在一起，并讓它們的磁敏感方向相反，形成“對管”。由于相同材料的半導體溫度特性基本一致，兩元件測量信號差分的結(jié)果是檢測信號溫漂影響減小，同時，靈敏度可提高一倍。例如，對美國Sprague公司生產(chǎn)的集成霍爾元件UGN3501T(靈敏度7V/T，溫漂0.1mV/)采用對管測量技術(shù)后，測量靈敏度達14V/T，而溫漂只有0.01mV/。該公司用該法生產(chǎn)的差動元件UGN3501M，其溫漂特性更好，但體積稍大。4. 差動測量技術(shù)差動測量技術(shù)為了排除測量過程中振動、晃動以及被測構(gòu)件中非被測特征的影響，提高測量的穩(wěn)定性、信噪比和抗干擾能力，檢測中適當布置一對

14、冗余測量單元，并將兩單元測量信號進行差分處理，形成差動測量。當在平行于測量磁場方向的測量面上布置對該方向敏感的測量元件并差動輸出時，形成差分測量技術(shù)，可消除測量間隙等變動帶來的影響；當在測量的磁場方向上間隔布置對該方向敏感的兩測量元件并差動輸出時，可對磁場的梯度進行測量，形成梯度測量技術(shù)，可在較強的背景磁場下測量微弱的磁場變化。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院11http:/5. 聚磁檢測技術(shù)聚磁檢測技術(shù)聚磁檢測采用高導磁材料(如工業(yè)純鐵、坡莫合金等)將測量磁場主動引導至測量元件中，如圖所示。由高導磁材料做成的聚磁器在這里起著收集、引導、均化測量磁場的作用。根據(jù)被測構(gòu)件表面形狀和測量要

15、求設(shè)計聚磁器的形狀尺寸，最大限度地收集有用磁場，并可通過設(shè)計磁場通路較好地將磁場集中引導至測量元件中。對空間上高頻變化的磁場而言，聚磁器相當于一空間上的低通濾波器，因而這一測量技術(shù)的空間分辨力將差一些。 聚磁檢測的關(guān)鍵在于聚磁器的設(shè)計，當聚磁器的形狀、尺寸選擇不當時，測量信號質(zhì)量將很差或者根本得不到感興趣的信號。因此，必須針對測量的特點設(shè)計聚磁器。在聚磁器設(shè)計中，總的原則是確保其收集磁場和引導磁場的路徑暢通，也即聚磁器的每一局部都不應(yīng)該有磁飽和現(xiàn)象發(fā)生。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院12http:/6. 磁屏蔽技術(shù)磁屏蔽技術(shù)磁場測量最易受到外界磁場的干擾，采用磁屏蔽技術(shù)后可以減弱雜

16、散磁場的影響。在測量中，通常采用高導磁材料做成殼體(箱體)以使腔體內(nèi)的測量單元免受體外磁場的影響，一般可將體外磁場減至1/51/8之間，好的屏蔽體可減小得更小。磁屏蔽是保證測量穩(wěn)定性和可靠性必不可少的措施，對弱磁場的測量尤為重要。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院13http:/1. 主動式測量探頭主動式測量探頭當檢測過程中探頭與被測構(gòu)件的相對運動關(guān)系可精確控制或可通過設(shè)計實現(xiàn)時，一般通過檢測裝置或系統(tǒng)的設(shè)計來保證單個探頭的掃描覆蓋范圍、提離距離、敏感方向等，此時探頭可以是一個獨立的單元，其運動關(guān)系由檢測裝置控制。例如，油管自動檢驗線上的磁性探傷設(shè)備，其探頭與油管的相對運動關(guān)系由控制機

17、構(gòu)實現(xiàn)，有探頭旋轉(zhuǎn)油管直線輸送、油管旋轉(zhuǎn)探頭直線掃描、探頭固定而油管螺旋輸送等多種形式。在運動機構(gòu)的設(shè)計上，根據(jù)探頭的覆蓋范圍選擇自動輸送的進程，保證沿鋼管表面不發(fā)生漏檢，并采用較小的測量間隙來減小“提離效應(yīng)”影響。由于磁性測量探頭一般只能測量某一方向上的磁場分量，而缺陷產(chǎn)生的漏磁場與其形狀和走向相關(guān)，因而應(yīng)讓探頭的敏感方向與相對掃描運動方向一致，以獲得被掃描路徑上較高的缺陷檢測敏感性。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院14http:/2. 被動式測量探頭被動式測量探頭與主動式測量探頭相反，當檢測的運動關(guān)系只能由被測構(gòu)件決定時，測量探頭本身的結(jié)構(gòu)就需要特殊考慮。例如，在鋼絲繩芯輸送帶的檢測中，輸送帶只能有縱向運動，為了測量每根鋼絲繩的狀況，需采用